Going Viral: Als lebendige Netzwerke schief gehen

Netzwerke – realer und virtueller – überall, von unseren social-Media-Kreisen an das Stromnetz angeschlossen, die Strom liefert. Die Wechselwirkungen von Genen, Proteinen und anderen Molekülen in einer Zelle sind Beispiele für Netzwerke, auch. Wissenschaftler arbeiten in einem Feld namens Systeme Biologie Studium und Diagramm, die diese und andere lebendige Netzwerke zu lernen, wie die einzelnen Teile zusammenarbeiten, um ein funktionierendes Ganzes und was machen passiert, wenn diese komplexen, dynamischen Systemen schief gehen.

Genauso wie Sie nicht verstehen, wie ein social Media Posten "goes viral" durch die Beobachtung der Aktivität der einzelnen Nutzer, können nicht Wissenschaftler das Verhalten einer Zelle oder anderen biologischen System vollständig verstehen, durch das Studium der einzelnen Komponenten isoliert. Aber durch die Kombination von Daten aus Experimenten in lebenden Systemen mit leistungsfähigen Computer Modellierungstechniken, können Wissenschaftler untersuchen, Fragen, die möglicherweise schwierig oder unmöglich zu beantworten durch traditionelle Labor Experimente allein – wie was treibt eine Krebszelle in einen lebensbedrohlichen Tumor wachsen.

Nach Aaron Brooks, Biologe am National Institutes of Health finanzierte Institute for Systems Biology in Seattle, sind Netzwerke in der Regel illustriert als Diagramme, bestehend aus "Knoten" und "Kanten". Knoten, oft dargestellt als Kreise, repräsentieren die Objekte im Netzwerk. Die Kanten, oft dargestellt als Linien, zeigen die Wechselwirkungen zwischen diesen Objekten.

Beispielsweise zeigt die Netzwerk-Diagramm in der Abbildung oben Hefezellen (übereinander liegenden Kreise) und der biochemischen "Geschwätz" zwischen ihnen (Linien), der sagt, die Zellen zu versammeln, in Büscheln. Diese Aufhäufung hilft ihnen stressige Bedingungen überleben wie einen Mangel an Nährstoffen.

Netzwerkdiagramme bieten mehr als nur Hub-and-Spoke-Bilder, Brooks, erklärt. Sie können Informationen, die uns besser zu verstehen hilft Ertrag – und potenziell beeinflussen – komplexe Phänomene, die unsere Gesundheit beeinträchtigen. Droge Interaktion Netze können Voraussagen und verhindern, dass schädliche Kombinationen von Medikamenten. Gen-Interaktion-Netzwerken können Aufschluss über die Basis für komplexe Eigenschaften wie Krankheitsanfälligkeit. Und soziale Interaktion Netze können helfen, vorherzusagen, wie eine ansteckende Krankheit verbreiten und zeigen Sie auf Möglichkeiten, die sie enthalten.

"Network Dynamics faszinieren uns," sagt Chris Lausted, ein senior Research Engineer bei ISB. "Um zu überleben, müssen biologische Systeme sehr empfindlich auf einige subtile Umweltsignale während große Veränderungen in anderen zu tolerieren. Diese Netze Mapping, hilft uns zu verstehen, welche Veränderungen dazu führen, dass Krankheit und was kann getan werden, um Gesundheit wiederherzustellen."

Die USA & Engineering Science Festival in Washington, D.C. vorgestellt im vergangenen Monat Brooks und anderen ISB Biologe, Martin Shelton, Tausende von Studenten auf einige dieser Konzepte. Durch einen Hands-on-Ausstellung gesponsert von NIH bastelten die Schüler zuerst mit einem kleinen, vier Knoten Netzwerk verkabelt mit Glasfaserkabeln und Lichter. Die ersten Herausforderungen waren einfach: Aufbau der Langstrecken-Kommunikation mit einem Freund oder das Verständnis, wie Keime und das Immune System interagieren, um die Gesundheit einer Person beeinflussen. Durch das Entfernen einzelner Knoten oder Links in ihren Netzwerken, konnte Teilnehmer sehen, wie die Änderungen im Netzwerk insgesamt betroffen.

Die nächste Herausforderung war viel größer: Gestaltung eines Kommunikationsnetzes für 150 US-Städten. Die Systeme wurden erzielte nach wie gut sie einen zufälligen Fehler in einer der Städte standhalten konnte (ein Merkmal Systeme Wissenschaftler Anruf "Robustheit"). Nach der Feststellung, die Struktur und Performance ihrer Systeme, konnte die junior Netzwerktechniker sehen, wie ihre Design-Entscheidungen im Vergleich zu denen der anderen Teilnehmer und wiederholen Sie die Aktivität, um eine höhere Punktzahl zu verdienen. Die Kombination von Aktivitäten gab Schüler ein Gefühl für die eigentliche–Welt nähert, Werkzeuge und Gründe für die Untersuchung komplexer Systeme.

"Es gab einen Punkt, beim gehen die Kinder durch die Aktivitäten, wo ihre Augen leuchten würde sie würde Lächeln und Sie wusste, dass sie verstanden", sagte Shelton. "Ich denke, viele Wissenschaftler wurde Wissenschaftler, weil sie das gleiche Gefühl als Kind verliebt – die Freude am Lernen etwas neues, das ändert sich Ihre Perspektive und Verständnis der Welt um Sie herum."

Die Forschung in diesem Artikel berichtet wurde teilweise unter NIH Grant P50 GM076547 finanziert.

Elia Ben-Ari trugen ebenfalls zu dieser Geschichte.

This im Life Science-Artikel wurde bereitgestellt, um zu Leben-Wissenschaft in Zusammenarbeit mit der Nationales Institut der allgemeinen medizinischen Wissenschaften und ein Teil der National Institutes of Health .

Weitere Informationen:

Institute for Systems Biology

Nationalen Zentren für Systembiologie

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